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有机化学的前世今生—从有机化学诞生伊始到迈入21世纪-【后篇】

本文来自Chem-Station日文版 有機化学を俯瞰する -有機化学の誕生から21世紀まで–【後編】 やぶ

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

下篇的内容里会带读者们回顾分子化学特别是有机化学的历史,揭开现代合成化学是怎么一步步变成今天这样的。本次文章将以尿素的人工合成作为有机化学的开幕。之后会借助解说分子结构的化学反应的反应机理来讲述对有机合成化学发展有里程碑式意义的事件。最后带读者了解21世纪的合成化学的部分研究成果。

前情回顾

上一回里我们讲述了古代科学家提出的原子理论是怎么被近代实验一步步完善的。具体来说,根据倍数比例法则和常数比例法则,物质是由几个原子组成的分子所构成,如果是相同的化合物,不管是来自天然的还是人工合成的,都是由同样的分子所构成。分子学说确立后,对来自生命体的分子的探究就一发不可收拾了。今天我们从作为一门生命科学的有机化学的诞生说起。

不借助动物的肾脏,也能合成尿素

19世纪的前半叶,德国化学家韦勒在实验室的烧瓶里成功合成出了尿素(NH2CONH2)1。这一成果是有机化学史上的重大发现。为什么说韦勒合成尿素是重大发现呢?正如上一篇里提到过,因为当时人们普遍认为凡是来自生命体的分子具有“生命力”。韦勒人工合成出尿素不仅颠覆了生命说,还证明了生命现象归根究底是由分子运动引起的。从1828年开始,在烧瓶里做出来自生命体分子的有机化学就诞生了。

 韦勒首次认为合成了尿素。韦勒肖像来自维基百科

化学构造式的设想—碳原子有四个成键对

韦勒的发现可以说的划时代的,但是他的发现不乏含有很多偶然成分。在韦勒那个年代,虽然有分析分子里原子组成的方法,但分子的形态(或者说分子结构)还尚未明了。有关分子结构的理论研究发生在18世纪后半叶到19世纪世纪前半叶。

分子结构研究的先驱者是德国化学家凯库勒。凯库勒提出“某一原子有固定的原子价(=成键对),原子之间的各式各样的连接模式会满足各个原子的成键对要求,这样就形成了分子。”在此基础上,他还提出碳原子有4个成键对,并且碳原子之间的相互连接会形成分子的骨架。特别重要的是,凯库勒还提出碳碳双键和单键交替出现的六角形结构——即符合苯环的分子式(C6H6) 的结构。像这样表示苯环结构的方式就是我们熟悉的凯库勒式。

凯库勒提出的分子结构为有计划性的合成分子提供了方向。凯库勒肖像来自维基百科

凯库勒提出的分子结构的假说为当时的科学家理论发展提供了强有力的科学基础。因为以前关于分子的主要信息只有关于分子式和化学反应性。分子式是通过燃烧法被确定,能否发生同样的反应是判别分子反应性的依据(比如银镜反应和碘酰胺反应等在高中化学中出现的化学反应)。有了分子式和化学反应性再加上凯库勒分子结构的假说,就不难根据元素的连接方式来描述分子结构了。分子的结构式为后来的分子分析与分子合成提供了方向。

有机化学的大飞跃

优美的化学合成1

随着分子结构理论的不断发展,基于对分子结构的理解而进行的合理的合成分子试验愈发活跃起来。可以说这在天然物全合成领域里开启了“在原子基础上构建”的时代。如下图所示的“首个基于理论的化学合成的案例”。1917年,英国有机化学家罗宾逊发现了一种被称为Tropinone的化合物可以由下图这三种化合物合成,而且还真的合成成功了。

罗宾逊的“首个基于理论的化学合成的案例”。设计反应时想象点线切断式子左边的化合物。合成利用了由醛、胺、酮作为反应物的Mannich反应

简单混合的时代终结

20世纪前半叶中,化学实验室里实验手法不断成熟的同时,用物理方法来证明化学理论也在不断地发展。首先,1905年日本人长冈半太郎发表了形如行星模型的原子构造。长冈半太郎提出原子的结构是这样的:带负电荷的电子围绕着带正电荷的核旋转。之后又有了原子键的模型,即原子价键法则“两个原子通过共享其核外的电子而形成键”。

在原子键的物理解释逐渐确立的情况下,首次完成“优美的化学合成”的罗宾逊提出了一种理解化学反应机理的方法。罗宾逊注意到“分子中的键是通过两个原子共享电子对而形成的”。所以他认为化学反应的本质上是电子的运动。

基于这个思想,罗宾逊认为化学反应机理有如下两点准则:

(1)相同分子成键时,分子外层的电子会进攻另一个分子的带正电部分。这样就形成了新的共价键(共享电子对);

(2)当分子分解时,其中某个分子碎片会拥有成键电子。

根据这样的化学反应的规则,描绘出酯类的皂化反应的机理,如下所示。灰色箭头表示电子对移动时,将要成键的状态。

罗宾逊提出的化学反应的图示方法。带弧度的箭头表示电子的运动。表示电子运动的图的读法请参看文章:有機反応を俯瞰する–縮合反応–

这种表示方法有助于人们直观地理解化学反应的机理,已经成为了现在化学反应理论必不可少的部分了。而且,根据这样的理论理解分子的反应性,能够更合理地设计目标分子的合成路径。

有了化学反应机理的模型,从物理的角度来解释化学反应就开始活跃起来了。比如物理有机化学家英戈尔德曾说过这样一句话:“简单混合的时代已经结束了。物理化学的原理已经成为包括有机化学在内的整个化学领域的基础。”2比方说英戈尔德关注某种有机化学反应的反应速度,提出了有机化学反应的机理。(我们大学里学过的SN2, SN1, E1, E2反应就是英戈尔德发现的)

无论多么复杂的物质都能合成出来

以代有机化学发展中的一个事件为例,介绍一位传奇有机合成化学家。1960年代初期,美国化学家伍德沃德开始着手合成迄今为止最复杂的天然化合物维生素B12,并终于在1973年发表了其成果。合成路径多达100多步。由大约100名学生和博士研究员组成的化学家小组,历时12年之久才完成,足以说明这个项目的规模之大。

 一种维生素B12的结构

维生素B12的成功合成使有机化学家们相信只要时间花下去,合成路径制定的好,不管多么复杂的化合物都能合成。伍德沃德因为其擅长设计富有艺术性的合成策略,被授予了1965年诺贝尔化学奖。顺便一提,伍德沃德对有机化学的理论发展也做出了杰出贡献,获奖理由是“for outstanding achievements in the art of organic synthesis”。从这句话里我们知道伍德沃德是因为其极具艺术性的有机合成而被授予诺贝尔奖的,这一事件可以说是把有机合成升华成为一种艺术了。天然物的全合成至今都是有机合成领域里炙手可热的一个分支领域。

“有机”合成化学向非天然化合物合成进军

在新的化学反应方法和合成策略被确立的过程中,非天然类化合物也开始被合成。这些人工分子中,虽然不乏机缘巧合下发现的分子,但也有为了构建天然化合物而有目的性合成具有期望结构和功能的分子。随后,过去一直被视为“生命的化学”的有机化学向“以碳原子为中心的化学”方向发展。例如现代科学家制造的衣服、涂料、粘合剂、保鲜膜等材料。

我们生活中的人工“有机”分子(严格来说是高分子)

在之后的岁月里,有机化学不仅冲破了“生命的化学”这一定义,还向着无机化学领域迈进。如果有机化合物和金属结合就会形成一种名为有机金属络合物的分子,该分子是金属与有机分子的混合分子。金属络合物不光可以作为促进化学反应的催化剂,也可以作为单分子磁体。

金属络合物。这些络合物是为开发单分子磁体而合成的。图片引用自论文4,5。

为了调整这些金属络合物的功能,有机化学家们新开发了一种能与金属相结合的有机化合物(=配体)。特别是荣获2010年诺贝尔化学奖的交叉耦合反应为代表的一系列有机合成化学方法的发展,一下子扩展了有机金属络合物设计的自由性。金属络合物原本被归为无机化合物,但在合成新的金属络合物的时候,有时需要合成新的配体。所以对合成化学家来说,将分子简单分类为有机或无机已经毫无意义了。

俯瞰 21世纪的有机化学

最后,我想介绍两例由21世纪合成化学家创造出的化合物族类来作结尾。但我要解释一下,我选择的这两类完全是出于笔者的个人喜好,并不是意味着这两大化合物族类是21世纪合成化学的代表性研究成果。

分子纳米碳

第一个要介绍的化合物族类是由碳原子构成的分子群,也就是所谓的分子纳米碳。碳是传统的有机化合物(来自生物的分子)的主要成分,另一方面,单质碳本身也具有作为材料的功能。比如我们都知道宝石的一种——钻石实际上是碳原子组成的。另外,石墨实质上是碳原子以六角形排列形成的平面再重叠成层状的物质。说白了我们平时用的铅笔的笔芯就是石墨。石墨是人类从很久以前就使用的一种碳材料了。

自20世纪后半期(1990年代)起,碳元素的同位素被陆续发现。例如,在惰性气体环境下(氦或氩)使石墨对电极放电,石墨的碳层蒸发后,在反应容器的墙面上会附着一层黑黑的东西。在这层黑黑的东西里发现一种碳原子呈足球状形状构成的分子,那个足球状的分子被命名为富勒烯。此外,在放电反应的阴极一侧,还发现了呈碳原子层包裹成圆筒状的分子,这个物质被命名为碳纳米管。另一方面,也发现构成石墨结构的一层一层能用用粘着的胶带一层一层地撕下来,这一层物质被称为石墨烯。

富勒烯、碳纳米管和石墨烯作为新型碳材料在20世纪末登场,但当时它们和“有机合成”扯不上边儿。从它们的发现经过就可以看出它们原本就不是依靠化学反应精心设计出来的。拿碳纳米管来说,不同种类的碳纳米管的管的粗细、长度、甚至卷法都各有差异,当然它们各自的功能都是不同的。合成化学家的目标是借助有机合成的力量来精妙地合成这些碳化合物族类。

分子纳米碳化学到了21世纪逐步实现起来6。下图中展示了已经实现的拥有碳材料的部分结构的分子。碗烯和苏曼烯都是富勒烯的一部分结构。碳纳米环和碳纳米带是最短的碳纳米管。这些分子都是可以通过有机化学反应合成得到。

还有许多种分子纳米碳。石墨烯纳米碳被认为是具有一定宽度的石墨烯。更有趣的是有着复杂弯曲凹凸结构的三维纳米石墨烯等。这三维纳米石墨烯结构不是来自石墨烯或富勒烯的部分结构,而是首次通过分子纳米碳实现的碳结构。依靠着精妙的有机合成技术,碳材料化学向前迈进了一大步。

金属-有机框架材料:MOF

第二个化合物族类我要介绍的是由有机化合物与金属交织形成的框架材料即金属-有机框架材料 (Metal-Organic Framework, MOF)。以前讲过有机化合物和金属原子结合的话会形成一种名为金属络合物的分子。如果有机化合物拥有2个以上能够与金属原子相结合的位点,则有机化合物会把两个以上的金属原子像桥一样的连接起来。当这样的桥梁结构有序或无序地连接时,就形成了一种类似攀登架样的结构。这就是MOF。

具有代表性的MOF类框架材料MOF-5的结构

MOF的独特之处在于它晶体内部具有原子大小的空孔。因为空孔能容纳小部分气体,所以有望可以充作气体储存和气体分离之用。并且通过选择适当的金属和有机配体,可以调节孔径并可以改变内表面。换句话说,MOF研究也是空间设计的研究。

MOF的设计。使用同种金属原子,只要改变有机磷配体的大小,就可以调整黄色球表示的空孔的大小。即使使用相同的有机磷配体,也可以通过使用不同的金属原子改变连接方式来调整结构形状和孔的入口形状。图片来自论文7

MOF的合成涉及到的空间设计可以说是从迄今为止以创造分子为目标的合成化学开始迈出的崭新的一步。我们在《有机化学的前世今生-前篇》里提到古希腊哲学家德谟克利特提出“这个世界分为原子和空虚这两类,所谓空虚即指原子运动的空间”。这句话中的“原子”是实实在在存在的东西,如果用合成化学家所合成出来的分子来解释这里的“原子”,那么MOF的空孔指的就是这里所说“空虚”。现代合成化学家拥有设计古代哲学家提出的世界上的两大要素的手段。不得不说也是件很浪漫的事啊。

总结:化学是多么有趣!

本次连载带读者沿着化学历史的时间线,一览原子理论是怎么发展成分子学说,分子学说又是怎么进化成现代化学。有机化学原本被人们认为是“生命的化学”,一旦潘多拉魔盒打开,就涌现出许许多多的人工合成“有机分子”,要是当初合成尿素的韦勒看到现在有机化学硕果累累的成果,他必定会惊讶吧。

科学本来是一门理解自然的活动的学问,其中化学又是富于创造性的一门学科,我认为化学有着与其他自然科学不同的特别的地位。物理学是研究自然现象的学问,生物学是研究生命的学问,化学是研究原子和分子的学问,如果化学家需要,可以通过合成新的分子,让研究人员自己开拓研究对象。所以,化学是多么有趣!

参考文献

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